Molecular sensory studies of valuable odorants and tastants in sourdough bread crumb Molekular-sensorische Untersuchungen von wertgebenden Geruchs- und Geschmacksstoffen in Sauerteigbrotkrume

Sauerteigbrot ist aufgrund seines einzigartigen Geschmacks- und Aromaeindrucks bei Konsumenten überaus beliebt. Die humansensorische Analyse stellt ein wichtiges Verfahren zur Kontrolle der Geschmacks- und Aromaqualität dar. Um das Brotflavor objektiv beurteilen und verbessern zu können, ist ein besseres Verständnis der chemosensorischen Signatur von Sauerteigbrot notwendig. Allerdings sind die Schlüsselsensometabolite, die für den typischen Geschmack und das Aroma von Sauerteigbrotkrume verantwortlich sind, bislang nur unzureichend in der Literatur beschrieben.

Mit dem Ziel die wertgebenden Geschmacks- und Geruchsstoffe von Sauerteigbrotkrume zu entschlüsseln, wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit das Sensomics-Konzept angewendet. Nach erfolgter Geschmacksprofilanalyse wurden die Basisgeschmacksstoffe in Sauerteigbrotkrume identifiziert und quantifiziert. Um den Beitrag der einzelnen Geschmacksstoffe zum Gesamtgeschmack abzuschätzen, wurden die sogenannten Dose-over-Threshold-Faktoren unter Einbeziehung der jeweiligen Schwellenwerte berechnet. Mithilfe von Rekombinationsexperimenten konnte der authentische Geschmack von Sauerteigbrotkrume mit 14 geschmacksaktiven Substanzen rekonstruiert werden. Omissionsexperimente zeigten, dass zehn dieser Sensometabolite hinreichend sind, um den Geschmack der Sauerteigbrotkrume erfolgreich nachzubilden und diese somit die Schlüsselgeschmacksstoffe darstellen. Unter Einbezug von Literaturdaten zu den Geruchsstoffen von Sauerteigbrotkrume wurde zudem ein Aromavollrekombinat hergestellt und insgesamt elf flüchtige Verbindungen als Schlüsselaromastoffe von Sauerteigbrotkrume identifiziert.

Basierend auf diesen Ergebnissen wurde eine Hochdurchsatzmethodik, bestehend aus einer schnellen Probenaufarbeitung mit Stabilisotopenverdünnungsanalyse (SIVA) und einer Ultra-Hochleistungsflüssigchromatographie-Tandem Massenspektrometrie (UHPLC-MS/MS)-Methode, entwickelt und validiert. Erstmals konnten sowohl die flüchtigen Schlüsselaromastoffe als auch die nichtflüchtigen Schlüsselgeschmacksstoffe von Sauerteigbrotkrume durch Derivatisierung mit 3Nitrophenylhydrazin (3NPH) simultan quantifiziert werden. Ferner wurden verschiedene kommerziell erhältliche Brote mithilfe der entwickelten Methode in einer quantitativen Studie miteinander verglichen. Konzentrationsunterschiede zwischen den Brotproben konnten mit den verwendeten Getreidesorten und Arten der Fermentation in Zusammenhang gebracht werden. Die ermittelten Schlüsselgeschmacksstoffe und aromastoffe eignen sich deshalb als Markermoleküle, um im Zuge der industriellen Brotherstellung gezielt sensorisch verbesserte Sauerteigprodukte herstellen zu können.

Nach Entschlüsselung der chemosensorischen Signaturen von Sauerteigbroten beschäftigte sich der zweite Teil der Arbeit damit, wie sich durch eine geeignete räumliche Verteilung von Salz in der Brotkrume, dessen Geschmacksintensität beeinflussen und eine Reduktion des Kochsalzeinsatzes bei gleichbleibender Sensorik erreichen lässt. Der Natriumgehalt in Lebensmitteln wie Brot soll verringert werden, da eine übermäßige Natriumzufuhr ein erhöhtes Risiko für Bluthochdruck und Herz-Kreislauf-Erkrankungen bewirkt.

Um eine wissenschaftliche Basis für die Methode der inhomogenen Natriumverteilung zu erarbeiten, die eine Salzreduktion ohne Zusätze ermöglicht, wurde der Einfluss der inhomogenen Natriumverteilung auf die Geschmackswahrnehmung systematisch untersucht. Dabei wurde Natriumchlorid räumlich inhomogen in einer stärkebasierten Modellmatrix bzw. in Brotkrume verteilt. Unter der Bedingung, dass der Konzentrationskontrast zwischen den Schichten ausreichend groß war, wurde durch die inhomogene Natriumverteilung eine signifikante Verstärkung der Salzwahrnehmung im Vergleich zur homogenen Verteilung erzielt. Das räumliche Verteilungsmuster der inhomogenen Proben ist dabei nicht ausschlaggebend für den Effekt der Salzverstärkung. Zukünftig kann das sogenannte „Prinzip des sensorischen Kontrasts“ beispielsweise im Bereich 3D-gedruckter Lebensmittel effektiv genutzt werden, um Lebensmittel mit niedrigerem Salzgehalt bei gleichbleibendem Geschmacksprofil zu entwickeln.

Consumers highly enjoy sourdough bread for its unique taste and aroma impression. Human sensory analysis is an essential technique for controlling the taste and odor quality. To objectively assess and improve the bread flavor, a better understanding of the chemosensory signature of sourdough bread is required. However, the key sensometabolites responsible for the typical taste and aroma of sourdough bread crumb have so far been insufficiently described in the literature.

To decipher the valuable tastants and odorants of sourdough bread crumb, the Sensomics concept was applied in the present study. After taste profile analysis, the basic taste compounds in sourdough bread crumb were identified and quantified. In order to estimate the contribution of the individual compounds to the overall taste, the so-called dose-over-threshold factors were calculated by taking the respective taste thresholds into account. The authentic taste of sourdough bread crumb was reconstructed with 14 taste-active substances using recombination experiments. Omission experiments demonstrated that ten of these sensometabolites are sufficient to successfully mimic the taste of sourdough bread crumb, and thus, these compounds represent the key tastants. A total aroma recombinant was produced using literature data on the odorants of sourdough bread crumb. Eleven volatiles were identified as key aroma compounds of sourdough bread crumb.

On the basis of these results, a high throughput methodology consisting of a fast sample work-up procedure with stable isotope dilution analysis and an ultra-high performance liquid chromatography-tandem mass spectrometry (UHPLC-MS/MS) method was developed and validated. For the first time, both volatile key odorants and nonvolatile key tastants of sourdough bread crumb were simultaneously quantified by derivatization using 3nitrophenylhydrazine (3NPH). In addition, different commercially available bread samples were compared in a quantitative study using the developed method. Differences in the concentrations of the bread samples could be linked to the cereals used and the type of fermentation. Therefore, the identified key taste and aroma compounds could serve as marker molecules and thus enable the manufacture of sensory-improved sourdough products during industrial bread production.

After elucidation of the chemosensory signatures of sourdough bread, the second part of the thesis focused on how the spatial distribution of salt in bread crumb can influence its taste intensity and reduce the addition of cooking salt while maintaining the taste impression. It is the aim to reduce the sodium content in foods such as bread because excessive sodium consumption increases the risk of high blood pressure and cardiovascular diseases. In order to create a scientific basis for the method of inhomogeneous sodium distribution, which enables salt reduction without additives, the influence of inhomogeneous sodium distribution was systematically investigated. Sodium chloride was inhomogeneously distributed in a starch-based model matrix and bread crumb, respectively. Provided that the concentration contrast between the layers was sufficiently strong, the inhomogeneous spatial sodium distribution significantly enhanced the saltiness perception compared to the homogeneous distribution. The spatial distribution pattern of the inhomogeneous samples is not crucial for the effect of salt enhancement. In the future, the so-called ”principle of sensory contrast“ can be used effectively, for example, in the field of 3D-printed foods, to develop foods with a lower salt content while maintaining the same taste profile.